Rigid Rod Polymer Fillers in Acrylic Denture and Dental Adhesive Resin Systems

Polymeric materials have been used in dental applications for decades. Adhesion of polymeric materials to each other and to the tooth substrate is essential to their successful use. The aim of this series of studies was two-folded. First, to improve adhesion of poly(paraphenylene) based rigid rod polymer (RRP) to other dental polymers, and secondly, to evaluate the usability of a new dentin primer system based on RRP fillers. Poly(paraphenylene) based RRP would be a tempting material for dental applications because of its good mechanical properties. To be used in dental applications, reliable adhesion between RRP and other dental polymers is required. In this series of studies, the adhesion of RRP to denture base polymer and the mechanical properties of RRP-denture base polymer-material combination were evaluated. Also adhesion of BisGMA-TEGDMA-resin to RRP was determined. Different surface treatments were tested to improve the adhesion of BisGMA-TEGDMA-resin to RRP. Results were based on three-point bending testing, Vickers surface hardness test and scanning electron microscope analysis (SEM), which showed that no reliable adhesion between RRP and denture base polymer was formed. Addition of RRP filler to denture base polymer increased surface hardness and flexural modulus but flexural strength decreased. Results from the shear bond strength test and SEM revealed that adhesion between resin and RRP was possible to improve by surface treatment with dichloromethane (DCM) based primer and a new kind of adhesive surface can be designed. The current dentin bonding agents have good immediate bond strength, but in long term the bond strength may decrease due to the detrimental effect of water and perhaps by matrix metalloproteinases. This leads to problems in longevity of restorations. Current bonding agents use organic monomers. In this series of studies, RRP filled dentin primer was tested in order to decrease the water sorption of the monomer system of the primers. The properties of new dentin primer system were evaluated in vitro by comparing it to commercial etch and rinse adhesive system. The results from the contact angle measurements and SEM showed that experimental primer with RRP reinforcement provided similar resin infiltration to dentin collagen and formed the resin-dentin interface as the control primer. Microtensile bond strength test and SEM revealed that in short term water storing, RRP increased bond strength and primer with BMEP-monomer (bis[2-(methacryloyloxy)-ethyl]phosphate) and high solvent concentration provided comparable bonding properties to the commercial control primers. In long term water storing, the high solvent-monomer concentration of the experimental primers decreased bond strength. However, in low solvent-monomer concentration groups, the long-term water storing did not decrease the bond strength despite the existence of hydrophilic monomers which were used in the system. These studies demonstrated that new dentin primer system reached the mechanical properties of current traditional etch and rinse adhesive system in short time water storing. Improved properties can be achieved by further modifications of the monomer system. Studies of the adhesion of RRP to other polymers suggest that adhesion between RRP and other dental polymers is possible to obtain by certain surface treatments.

Formation of polyelectrolyte multilayers and polyelectrolyte complexes in dual polymer treatment of papermaking pulp

The goal of this study was to find a new approach to modify chemically the properties of paper by improving fiber quality. This Master’s thesis includes the multiple polymer treatment in general and themeasurement methods with which the formation of multilayers and complexes can be noticed. The treatment by an oppositely charged dual polymer system is a good approach to increase paper strength. In this work, starch, a cationic polymer, and carboxymethyl cellulose (CMC), an anionic polymer, were used step-by-step to improve paper strength. The adsorption of cationic starch and CMC on cellulose fibers were analyzed via polyelectrolyte titration. The results showed that paper strength was enhanced slightly with a layer-by-layer assembly of the polymers. However, if the washing stage, which was required for layer-by-layer assembly, was eliminated, the starch/CMC complex was deposited on fibers more efficiently, and the paper strength was improved more significantly.

Polymer surface modification by atomic layer deposition

Current industrial atomic layer deposition (ALD) processes are almost wholly confined to glass or silicon substrates. For many industrial applications, deposition on polymer substrates will be necessary. Current deposition processes are also typically carried out at temperatures which are too high for polymers. If deposition temperatures in ALD can be reduced to the level applicable for polymers, it will open new interesting areas and applications for polymeric materials. The properties of polymers can be improved for example by coatings with functional and protective properties. Although the ALD has shown its capability to operate at low temperatures suitable for polymer substrates, there are other issues related to process efficiency and characteristics of different polymers where new knowledge will assist in developing industrially conceivable ALD processes. Lower deposition temperature in ALD generally means longer process times to facilitate the self limiting film growth mode characteristic to ALD. To improve process efficiency more reactive precursors are introduced into the process. For example in ALD oxide processes these can be more reactive oxidizers, such as ozone and oxygen radicals, to substitute the more conventionally used water. Although replacing water in the low temperature ALD with ozone or plasma generated oxygen radicals will enable the process times to be shortened, they may have unwanted effects both on the film growth and structure, and in some cases can form detrimental process conditions for the polymer substrate. Plasma assistance is a very promising approach to improve the process efficiency. The actual design and placement of the plasma source will have an effect on film growth characteristics and film structure that may retard the process efficiency development. Due to the fact that the lifetime of the radicals is limited, it requires the placement of the plasma source near to the film growth region. Conversely this subjects the substrate to exposure byother plasma species and electromagnetic radiation which sets requirements for plasma conditions optimization. In this thesis ALD has been used to modify, activate and functionalize the polymer surfaces for further improvement of polymer performance subject to application. The issues in ALD on polymers, both in thermal and plasma-assisted ALD will be further discussed.

Water absorbent polymer in sugarcane crop

The water absorbent polymer effect on vegetative growth and production of Theoretical Recovery Sugar (TRS) of sugarcane cv. RB 86 7515 was evaluated on two field tests installed in randomized blocks, with four treatments and five repetitions. The polymer doses were 0; 4; 8 and 12 g m-1 of furrow (test 1) and 0; 1.4; 2.8 and 4.2 g m-1 of furrow (test 2). Test 1 (dec/2007 to may/2009) was implanted in a Distroferric Red Argisol soil in Presidente Prudente - State of São Paulo (SP), Brazil; and the test 2 (Aug/2008 to Aug/2009) was implanted in a Red Yellow Argisol soil in Lucélia - State of São Paulo (SP), Brazil. In test 2, there were no significant differences for any evaluated parameters. In both tests the polymer doses equal to or less than 4 g m-1 of furrow showed no significant effect on the evaluated parameters. In test 1, the polymer doses of 8 and 12 g m-1 of the conditioning polymer increased the number of tillers in stage II of development and led to the largest amount of straw. The gross income per hectare has positive relation with the polymer doses. The polymer had no significant effect on the sugarcane stems productivity and technological parameters.

Feasibility study of metal to polymer hybrid joining

The increasing demand for lightweight components has led to a huge exploitation of non-metallic materials such as polymers, fibers and elastomers in industrial and manufacturing processes. Recent trends towards cost effectiveness, weight reduction and production flexibility in industrial production and manufacturing processes has led to a growing interest in hybrid components where two or more dissimilar materials coexist to achieving specifically optimized characteristics. The importance of this research is to serve as a bridge to understanding the theories behind various joining techniques and the adaptation of the process for metal to polymer hybrid joints. Moreso, it helps companies to select the most productive and yet economical joining process for realization of lightweight metal to polymer hybrid components. This thesis is a literature review analyzing various materials that has been published on various joining methods for metal to polymer hybrid joints on the feasibility and eventual realization of the joint between these dissimilar materials. This study is aimed at theoretically evaluating the feasibility of joining processes between metal and plastic components by exploiting exhaustively joining and welding sources.

Microstructural and environmental effects on the mechanical properties of porous particle-polymer composites

Papper kan anses vara ett av de mest använda materialen i det dagliga livet. Tidskrifter, tidningar, böcker och diverse förpackningar är några exempel på pappersbaserade produkter. Papperets egenskaper måste anpassas till användningsändamålet. En tidskrift kräver t.ex. hög ljushet, opacitet och en slät yta hos papperet, medan dessa egenskaper är mindre viktiga för en dagstidning. Allt tryckpapper behöver vissa mekaniska egenskaper för att tåla vidarebearbetning såsom kalandrering, tryckning och vikning. Man kan bestryka papper för att förbättra dess optiska egenskaper och tryckbarhetsegenskaper. Vid bestrykning appliceras en dispersion av mineralpigment och polymerbindemedel som ett tunt lager på papperets yta. Bestrykningsskiktet kan ses som ett komplext, poröst kompositmaterial som även bidrar till papperets mekaniska egenskaper och dess processerbarhet i diverse konverteringsoperationer. Kravet på framställning av förmånligt papper med tillräckliga styrkeegenskaper ställer allt högre krav på optimeringen av pappersbestrykningsskiktets egenskaper och produktionskostnader. Målet med detta arbete var att förstå sambandet mellan pigmentbestrykningsskiktets mikrostruktur och dess makroskopiska, mekaniska egenskaper. Resultaten visar att adhesionen i gränsytan mellan pigment och bindemedel är kritisk för bestrykningsskiktets förmåga att bära mekanisk belastning. Polära vätskor är vanliga i tryckfärger och kan, eftersom de påverkar syra/bas-interaktionerna mellan pigment och latexbindemedel, försvaga denna adhesion. Resultaten tyder på att ytstyrkan hos bestruket papper kan höjas genom användning av bifunktionella dispergeringsmedel för mineralpigment. Detta medför inbesparingar i pappersproduktionen eftersom mängden bindemedel, den dyraste komponenten i bestrykningsskiktet, kan minskas.

Effect of particle morphology on the mechanical and thermo-mechanical behavior of polymer composites

Fiber reinforced polymer composites have been used in many applications, such as in automobile, aerospace and naval industries, due basically to their high strength-to-weight and modulus-to-weight, among other properties. Even though particles are usually not able to lead to the level of reinforcement of fibers, particle reinforced polymer composites have been proposed for many new applications due to their low cost, easy fabrication and isotropic properties. In this work, polymer composites were prepared by incorporating glass particles of different morphologies on poly(aryl sulfones) matrices. Particles with aspect ratios equal to 1, 2.5 and 10 were used. The prepared composites were characterized using electron microscopy and thermal analysis. Mechanical properties of the composites were evaluated using a four-point bending test. The thermo-mechanical behavior of the obtained composites was also investigated. The results showed that the morphology of the particles alter significantly the mechanical properties of composites. Particles with larger values of aspect ratio led to large elastic modulus but low levels of strain at failure. This result was explained by modeling the thermo-mechanical behavior of the composites using a viscoelastic model. Parameters of the model, obtained from a Cole-Cole type of plot, demonstrated that interactions at the polymer-reinforcing agent interface were higher for composites with large aspect ratio particles. Higher levels of interactions at interfaces can lead to higher degrees of stress transfer and, consequently, to composites with large elastic modulus, as experimentally observed.

Unidirectional fiber-reinforced composite as an oral implant abutment material: Experimental studies of E-glass fiber/BisGMA-TEGDMA polymer in vitro

Fiber-reinforced composites (FRCs) are a new group of non-metallic biomaterials showing a growing popularity in many dental and medical applications. As an oral implant material, FRC is biocompatible in bone tissue environment. Soft tissue integration to FRC polymer material is unclear. This series of in vitro studies aimed at evaluating unidirectional E-glass FRC polymer in terms of mechanical, chemical, and biological properties in an attempt to develop a new non-metallic oral implant abutment alternative. Two different types of substrates were investigated: (a) Plain polymer (BisGMA 50%–TEGDMA 50%) and (b) Unidirectional FRC. The mechanical behavior of high fiber-density FRCs was assessed using a three-point bending test. Surface characterization was performed using scanning electron and spinning disk confocal microscopes. The surface wettability/energy was determined using sessile drop method. The blood response, including blood-clotting ability and platelet morphology was evaluated. Human gingival fibroblast cell responses - adhesion kinetics, adhesion strength, and proliferation activity - were studied in cell culture environment using routine test conditions. A novel tissue culture method was developed and used to evaluate porcine gingival tissue graft attachment and growth on the experimental composite implants. The analysis of the mechanical properties showed that there is a direct proportionality in the relationship between E-glass fiber volume fraction and toughness, modulus of elasticity, and load bearing capacity; however, flexural strength did not show significant improvement when high fiber-density FRC is used. FRCs showed moderate hydrophilic properties owing to the presence of exposed glass fibers on the polymer surface. Blood-clotting time was shorter on FRC substrates than on plain polymer. The FRC substrates also showed higher platelet activation state than plain polymer substrates. Fibroblast cell adhesion strength and proliferation rate were highly pronounced on FRCs. A tissue culture study revealed that gingival epithelium and connective tissue established an immediate close contact with both plain polymer and FRC implants. However, FRC seemed to guide epithelial migration outwards from the tissue/implant interface. Due to the anisotropic and hydrophilic nature of FRC, it can be concluded that this material enhances biological events related with soft tissue integration on oral implant surface.

Differences in pressure and temperature transitions of proteins and polymer gels

Pressure-driven and temperature-driven transitions of two thermoresponsive polymers, poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) and poly(N-vinylisobutyramide) (pNVIBA)), in both a soluble linear polymer form and a cross-linked hydro-gel form, were examined by a dynamic light-scattering method and direct microscopic observation, respectively. Their behavior was compared with that of protein systems. Changes in some characteristic parameters in the time-intensity correlation functions of dynamic light-scattering measurement of aqueous solutions of pNIPAM at various pressures and temperatures showed no essential differences during temperature and pressure scanning and, as a whole, the motions of polymers in aqueous solutions were similar in two types of transitions until chain shrinkage occurred. The gels (cross-linked polymer gels) prepared from the thermoresponsive polymers also showed similar volume transitions responding to the pressure and temperature increase. In temperature transitions, however, gels showed drastic volume shrinkage with loss of transparency, while pressure-induced transition showed a slow recovery of transparency while keeping the size, after first transient drastic volume shrinkage with loss of transparency. At a temperature slightly higher than the transition under atmospheric temperature, so-called reentry of the volume change and recovery of the transparency were observed during the pressure-increasing process, which implies much smaller aggregation or non-aggregated collapsed polymer chains in the gel at higher pressures, indicating a certain mechanistic difference of the dehydration processes induced by temperature and pressure.

Study of the diffusion in polymer solutions and hydrogels by NMR spectroscopy and NMR imaging

Afin d'étudier la diffusion et la libération de molécules de tailles inférieures dans un gel polymère, les coefficients d'auto-diffusion d'une série de polymères en étoile avec un noyau d'acide cholique et quatre branches de poly(éthylène glycol) (PEG) ont été déterminés par spectroscopie RMN à gradient de champ pulsé dans des solutions aqueuses et des gels de poly(alcool vinylique). Les coefficients de diffusion obtenus ont été comparés avec ceux des PEGs linéaires et dendritiques pour étudier l'effet de l'architecture des polymères. Les polymères en étoile amphiphiles ont des profils de diffusion en fonction de la concentration similaires à leurs homologues linéaires dans le régime dilué. Ils diffusent plus lentement dans le régime semi-dilué en raison de leur noyau hydrophobe. Leurs conformations en solution ont été étudiées par des mesures de temps de relaxation spin-réseau T1 du noyau et des branches. L'imagerie RMN a été utilisée pour étudier le gonflement des comprimés polymères et la diffusion dans la matrice polymère. Les comprimés étaient constitués d'amidon à haute teneur en amylose et chargés avec de l'acétaminophène (de 10 à 40% en poids). Le gonflement des comprimés, ainsi que l'absorption et la diffusion de l'eau, augmentent avec la teneur en médicament, tandis que le pourcentage de libération du médicament est similaire pour tous les comprimés. Le gonflement in vitro des comprimés d'un complexe polyélectrolyte à base d'amidon carboxyméthylé et de chitosane a également été étudié par imagerie RMN. Ces comprimés sont sensibles au pH : ils gonflent beaucoup plus dans les milieux acides que dans les milieux neutres en raison de la dissociation des deux composants et de la protonation des chaînes du chitosane. La comparaison des résultats avec ceux d'amidon à haute teneur en amylose indique que les deux matrices ont des gonflements et des profils de libération du médicament semblables dans les milieux neutres, alors que les comprimés complexes gonflent plus dans les milieux acides en raison de la dissociation du chitosane et de l'amidon.

Molecular tectonics : supramolecular 2D nanopatterning of surfaces by self-assembly

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Films minces supramoléculaires de copolymères de PS-P4VP réalisés par trempage

Bien que ce soit un procédé industriel répandu, les films de copolymères à blocs préparés par trempage (« dip-coating ») sont moins étudiés que ceux obtenus par tournette (« spin-coating »). Pourtant, il est possible grâce à cette technique de contrôler précisément les caractéristiques de ces films. Au-delà de la méthode de fabrication, la capacité de modifier la morphologie des films trempés à l’aide d’autres facteurs externes est un enjeu primordial pour leur utilisation dans les nanotechnologies. Nous avons choisi, ici, d’étudier l’influence d’une petite molécule sur la morphologie de films supramoléculaires réalisés par « dip-coating » à partir de solutions de poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) dans le tétrahydrofurane (THF). En présence de 1-naphtol (NOH) et d’1-acide napthoïque (NCOOH), qui se complexent par pont hydrogène au bloc P4VP, ces films donnent, respectivement, une morphologie en nodules (sphères) et en stries (cylindres horizontaux). Des études par spectroscopie infrarouge ont permis de mesurer la quantité de petite molécule dans ces films minces, qui varie avec la vitesse de retrait mais qui s’avère être identique pour les deux petites molécules, à une vitesse de retrait donnée. Cependant, des études thermiques ont montré qu’une faible fraction de petite molécule est dispersée dans le PS (davantage de NOH que de NCOOH à cause de la plus faible liaison hydrogène du premier). La vitesse de retrait est un paramètre clé permettant de contrôler à la fois l’épaisseur et la composition du film supramoléculaire. L’évolution de l’épaisseur peut être modélisée par deux régimes récemment découverts. Aux faibles vitesses, l’épaisseur décroît (régime de capillarité), atteint un minimum, puis augmente aux vitesses plus élevées (régime de drainage). La quantité de petite molécule augmente aux faibles vitesses pour atteindre un plateau correspondant à la composition de la solution aux vitesses les plus élevées. Des changements de morphologie, à la fois liés à l’épaisseur et à la quantité de petite molécule, sont alors observés lorsque la vitesse de retrait est modifiée. Le choix du solvant est aussi primordial dans le procédé de « dip-coating » et a été étudié en utilisant le chloroforme, qui est un bon solvant pour les deux blocs. Il s’avère qu’à la fois la composition ainsi que la morphologie des films de PS-P4VP complexés sont différentes par rapport aux expériences réalisées dans le THF. Premièrement, la quantité de petite molécule reste constante avec la vitesse de retrait mais les films sont plus riches en NCOOH qu’en NOH. Deuxièmement, la morphologie des films contenant du NOH présente des stries ainsi que des lamelles à plat, tandis que seules ces dernières sont observables pour le NCOOH. Ce comportement est essentiellement dû à la quantité différente de petite molécule modulée par leur force de complexation différente avec le P4VP dans le chloroforme. Enfin, ces films ont été utilisés pour l’adsorption contrôlée de nanoparticules d’or afin de guider leur organisation sur des surfaces recouvertes de PS-P4VP. Avant de servir comme gabarits, un recuit en vapeurs de solvant permet soit d’améliorer l’ordre à longue distance des nodules de P4VP, soit de modifier la morphologie des films selon le solvant utilisé (THF ou chloroforme). Ils peuvent être ensuite exposés à une solution de nanoparticules d’or de 15 nm de diamètre qui permet leur adsorption sélective sur les nodules (ou stries) de P4VP.

Assemblage moléculaire régi par la formation de bifluorènes : vers la formation de réseaux organiques covalents retenus par des liaisons carbone-carbone

Les réseaux organiques covalents (COFs) sont des réseaux bidimensionnels et tridimensionnels assemblés seulement par des atomes légers, c’est-à-dire de la première et deuxième rangée du tableau périodique. Ceux-ci ont montré des propriétés de porosité pouvant être exploitées dans le stockage, dans la catalyse et dans la séparation moléculaire. La plupart de ces matériaux ont été obtenus par une réaction finale de condensation, ce qui nuit à leurs cristallisations, donc à l’homogénéité et à la caractérisation détaillée de ces matériaux. Les p-xylylènes de Thiele et Tschitschibabin sont des molécules qui ont suscité l’intérêt pour leurs structures et leurs propriétés magnétiques. Subséquemment, Wittig a démontré que le remplacement des fragments diphénylméthylène par des fragments fluorénylidène sur le p-xylylène de Thiele donne des molécules pouvant s’oligomériser pour former un tétramère. Dans notre étude, nous avons examiné l’assemblage de dérivés fluorénylidène dans le but d’obtenir un COF. Tout d’abord, un dérivé linéaire similaire à ce que Wittig a obtenu a été synthétisé afin de vérifier l’assemblage à partir d’un cœur spirobifluorényle. Ces molécules se sont assemblées en tétramère, comme prévu, et en hexamère. Ces deux résultats ont pu être rationalisés par une étude à l’état solide par diffraction des rayons-X. L’empilement tridimensionnel a également été étudié pour ces deux molécules. Subséquemment, des dérivés tétraédriques ont été synthétisés afin d’étudier leurs assemblages. Un premier dérivé est resté sous sa forme quinoïdale et ne s’est pas assemblé, alors qu’un second dérivé a mené à un dimère partiellement assemblé. La structure de ce dernier suggère la formation d’un polymère linéaire pour ce composé dans le cas où il aurait été possible de l’assembler complètement.

Study of Langmuir-Blodgett Films of Self-Assembled Diblock Copolymers

L'auto-assemblage des copolymères à bloc (CPBs) attire beaucoup d'intérêt grâce à leur capacité de générer spontanément des matériaux ordonnés avec des propriétés uniques. Les techniques Langmuir-Blodgett (LB) et Langmuir-Schaefer (LS) sont couramment utilisées pour produire des monocouches ou des films ultraminces à l'interface air/eau suivi de transfert aux substrats solides. Les films LB/LS de CPBs amphiphiles s'auto-assemblent dans des morphologies variables dépendamment de la composition du CPB ainsi que d'autres facteurs. Dans notre travail, nous avons étudié les films LB/LS de polystyrène-b-poly(4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) et leurs complexes supramoléculaires avec le naphtol (NOH), l'acide naphtoïque (NCOOH) et le 3-n-pentadécylphenol (PDP). La première partie de ce mémoire est consacré à l'investigation du PS-P4VP complexé avec le NOH et le NCOOH, en comparaison avec le PS-P4VP seul. Il a été démontré qu'un plateau dans l'isotherme de Langmuir, indicatif d'une transition de premier ordre, est absent à des concentrations élevées des solutions d'étalement des complexes. Cela a été corrélé avec l'absence de morphologie en nodules avec un ordre 2D hexagonal à basse pression de surface. L'ordre au-delà de la pression de cette transition, lorsque présente, change à un ordre 2D carré pour tout les systèmes. La deuxième partie du la mémoire considère à nouveau le système PS-P4VP/ PDP, pour lequel on a démontré antérieurement que la transition dans l'isotherme correspond a une transition 2D d'un ordre hexagonal à un ordre carré. Cela est confirmé par microscopie à force atomique, et, ensuite, on a procédé à une étude par ATR-IR des films LB pour mieux comprendre les changements au niveau moléculaire qui accompagnent cette transition. Il a été constaté que, contrairement à une étude antérieure dans la littérature sur un autre système, il n'y a aucun changement dans l'orientation des chaînes alkyles. Au lieu de cela, on a découvert que, aux pressions au-delà de celle de la transition, le groupe pyridine, qui est orienté à basse pression, devient isotrope et qu'il y a une augmentation des liaisons hydrogènes phénol-pyridine. Ces observations sont rationalisées par un collapse partiel à la pression de transition de la monocouche P4VP, qui à basse pression est ordonné au niveau moléculaire. Cette étude a mené à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires qui se produisent à l'interface air/eau, ce qui fournit une meilleure base pour la poursuite des applications possibles des films LB/LS dans les domaines de nanotechnologie.